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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Füllventil zum aseptischen Befüllen eines Behälters mit einem fließfähigen Produkt mit einem Ventilgehäuse, das einen Produkteinlass und einen Produktauslass aufweist und eine Ventilkammer umschließt, mit einem Ventilkörper, der in der Ventilkammer zwischen einer Schließstellung, in der der Ventilkörper den Produktauslass verschließt, und einer Offenstellung, in der der Ventilkörper den Produktauslass freigibt, translatorisch bewegbar ist, und mit einer Vorspanneinrichtung, die im Ventilgehäuse angeordnet ist und an der der Ventilkörper befestigt ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Fülleinrichtung zum aseptischen Befüllen eines Behälters, insbesondere einer Beutelverpackung, mit einem fließfähigen Produkt. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum aseptischen Befüllen eines Behälters, insbesondere einer Beutelverpackung, mit einem fließfähigen Produkt.
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Bei einem Behälter, der durch das erfindungsgemäße Füllventil, die erfindungsgemäße Fülleinrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Produkt befüllt werden soll, handelt es sich insbesondere um eine Beutelverpackung, beispielsweise in Form eines Standbodenbeutels. Eine solche Beutelverpackung ist aus einem ein- oder mehrlagigen Material, welches flexibel ist und aus Kunststoff und/oder Metallfolie besteht, hergestellt. Ein solcher flexibler Behälter wird einem Füllventil bzw. einer Fülleinrichtung insbesondere im flachgedrückten Zustand und damit nahezu luftleer zugeführt. Beim Befüllvorgang wird das Produkt in den Behälter geleitet, wodurch sich dieser entfaltet. Grundsätzlich können mit dem erfindungsgemäßen Füllventil, der erfindungsgemäßen Fülleinrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch stabile Behälter, beispielsweise Dosen, Kartons oder Flaschen, befüllt werden.
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Ein Füllventil der eingangs genannten Art dient insbesondere zum Befüllen von Behältern mit einem fließfähigen Lebensmittel, beispielsweise mit einem Getränk oder mit Babynahrung, kann aber auch zum Befüllen von Behältern mit anderen fließfähigen (zum Beispiel flüssigen oder pastösen) Produkten eingesetzt werden.
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Gerade im Lebensmittelbereich oder im medizinischen Bereich kommt es in besonderem Maße auf Keimfreiheit an. Daher muss beim Befüllen des Behälters auf eine aseptische (sterile) Umgebung geachtet werden. Insbesondere müssen sämtliche Elemente, die beim Befüllvorgang mit dem Behälter in Kontakt kommen, sowie der Behälter selbst, steril sein.
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Da zum Befüllen in der Regel ein vorspringender Abschnitt in Form eines Stutzens (Tülle) in den Ausgießer oder Behälterkörper geführt wird, muss entsprechend auch nach Beendigung des Befüllvorgangs gewährleistet sein, dass der obere Rand und die Außenseite des Ausgießers nicht durch Produktreste verunreinigt sind, wenn die Öffnung des Ausgießers nach dem Befüllen durch eine Folie oder Kappe verschlossen wird. Eine solche Verunreinigung wird beispielsweise durch nachtropfende Produktreste (Resttropfen), die im Bereich des Produktauslasses am Füllventil anhaften, verursacht, wenn das Füllventil bzw. ein den Produktauslass aufweisender Stutzen des Füllventils aus dem Ausgießer herausbewegt wird.
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Für den Fall, dass nach dem Befüllen am Ausgießer noch Produktreste anhaften, muss der Ausgießer vor dem Verschließen noch in einem separaten Schritt gereinigt und sterilisiert werden, beispielsweise durch UV- oder Gammabestrahlung. Dies erhöht nicht nur den Aufwand, sondern auch die Zeit, die zum Befüllen und Verschließen eines Behälters notwendig ist.
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Um Verunreinigungen durch Produktreste im Bereich des Ausgießers nach dem Befüllen zu vermeiden, ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, nach dem Befüllen einen kurzen Druckluftstoß durch den Produktauslass des Füllventils zu erzeugen, um darüber den Resttropfen möglichst in den Behälter abzublasen. Auch ist es bekannt, den Resttropfen nach dem Befüllvorgang durch eine zusätzliche Bohrung im Ventilkörper abzusaugen, wenn der Ventilkörper in der Schließstellung den Produktauslass verschließt.
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Fülleinrichtungen mit einer entsprechenden Zusatzeinrichtung zum Befreien des Produktauslasses von einem Resttropfen, beispielsweise zum Ansaugen des Resttropfens, sind aber sehr komplex aufgebaut. Außerdem ist es zum Absaugen eines Resttropfens notwendig, in dem Ventilkörper, der den Produktauslass in der Schließstellung verschließen soll, eine separate Leitung mit einem separaten Ventil vorzusehen. Dies erhöht die Komplexität eines Füllventils und damit einer Fülleinrichtung weiter. Schließlich wird die Komplexität einer entsprechenden Fülleinrichtung auch dadurch erhöht, dass bei geschlossenem Produktauslass zunächst das gewünschte Produktvolumen in die Ventilkammer geführt wird und die Ventilkammer dann an ihrem Produkteinlass über noch ein weiteres Ventil geschlossen wird. Erst dann wird der Produktauslass geöffnet, damit das Produkt in den Behälter abfließen kann. Eine Fülleinrichtung gemäß Stand der Technik weist also, um eine Verunreinigung des Ausgießers vor dem Verschließen desselben möglichst zu vermeiden, zumindest ein Auslassventil, ein Einlassventil und ein Druckluftventil auf.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Füllventil, eine Fülleinrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum aseptischen Befüllen eines Behälters, insbesondere einer Beutelverpackung, anzugeben, womit die Komplexität eines Befüllvorgangs verringert wird.
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Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung bei einem Füllventil zum aseptischen Befüllen eines Behälters, insbesondere einer Beutelverpackung, beispielsweise in Form eines Standbodenbeutels, mit einem fließfähigen Produkt
- – mit einem Ventilgehäuse, das einen Produkteinlass und einen Produktauslass aufweist und eine Ventilkammer umschließt,
- – mit einem Ventilkörper, der in der Ventilkammer zwischen einer Schließstellung, in der der Ventilkörper den Produktauslass verschließt, und einer Offenstellung, in der der Ventilkörper den Produktauslass freigibt, translatorisch bewegbar ist, und
- – mit einer Vorspanneinrichtung (Federeinrichtung), die im Ventilgehäuse angeordnet ist und an der der Ventilkörper befestigt ist (und so eine Vorspannung auf den Ventilkörper ausübt),
dadurch gelöst, dass die Vorspanneinrichtung eine mit dem Ventilkörper verbundene Membran aufweist, die einen ersten Ventilkammerabschnitt von einem zweiten Ventilkammerabschnitt der Ventilkammer hermetisch dicht, das heißt luft- und wasserdicht, trennt, wobei der Produkteinlass und der Produktauslass über den ersten Ventilkammerabschnitt fluidtechnisch, das heißt hydraulisch und/oder pneumatisch, miteinander verbunden sind und wobei der Ventilkörper durch die Vorspanneinrichtung mit einer definierten Vorspannkraft in Richtung der Schließstellung vorgespannt ist.
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Indem der Ventilkörper in Richtung der Schließstellung vorgespannt ist, befindet sich der Ventilkörper automatisch in der Schließstellung, wenn die Ventilkammer bzw. der erste Ventilkammerabschnitt druckfrei bzw. unbelastet ist. Dabei kann die Vorspannkraft, wie im Weiteren noch erläutert wird, durch eine Feder allein oder durch die Membran allein oder durch Feder und Membran gemeinsam vorgespannt sein. Zusätzlich oder alternativ zu einer Feder kann auch ein komprimierbares Fluid, z. B. Luft, in dem zweiten Ventilkammerabschnitt die Vorspannung bzw. einen Teil der Vorspannung erzeugen. Wird nun ein Produkt durch den Produkteinlass in die Ventilkammer gefördert, was insbesondere durch eine Pumpe, beispielsweise eine rotierende oder oszillierende Pumpe, geschieht, füllt sich der erste Ventilkammerabschnitt mit dem Produkt und der Druck in dem ersten Ventilkammerabschnitt steigt entsprechend an. Sobald der Produktdruck in dem ersten Ventilkammerabschnitt größer als die Vorspannung (Vorspannkraft) der Feder- bzw. Vorspanneinrichtung ist, verformt sich die Membran in Richtung des zweiten Ventilkammerabschnitts. Dadurch vergrößert sich das Volumen des ersten Ventilkammerabschnitts und das Volumen des zweiten Ventilkammerabschnitts verringert sich entsprechend. Da der Ventilkörper mit der Membran verbunden ist, wird dieser mitbewegt, wodurch der Ventilkörper beim Befüllen des ersten Ventilkammerabschnitts mit dem Produkt aus seiner Schließstellung in seine Offenstellung bewegt wird.
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Insbesondere ist die Membran dabei derart geformt und das Material der Membran derart gewählt, dass sich die Membran bei Überschreiten eines gewissen Verformungsgrads schlagartig in Richtung des zweiten Ventilkammerabschnitts weiterverformt. Der Ventilkörper wird dann noch schneller aus der Schließstellung wegbewegt und der Produktauslass noch schneller freigegeben.
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Sobald der Produktauslass frei ist, kann das Produkt durch diesen in den Behälter fließen. Der Produktdruck wird dabei durch die Pumpe aufrechterhalten, bis eine vorgegebene Produktmenge gefördert worden ist. Wird dann die Pumpbewegung gestoppt und insbesondere umgekehrt, verringert sich der Druck in der Ventilkammer und die flexible Membran wird entlastet und bewegt sich wieder in ihre Ausgangsstellung, wodurch auch der damit verbundene Ventilkörper wieder in die Schließstellung gelangt. Während sich der Ventilkörper zurück in die Schließstellung bewegt, kann dann wie gesagt die Pumpbewegung kurzzeitig umgekehrt werden, wodurch ein Unterdruck in der Ventilkammer und insbesondere im ersten Ventilkammerabschnitt und entsprechend auch am (noch offenen) Produktauslass erzeugt wird. Dieser Unterdruck ermöglicht, einen eventuell vorhandenen Resttropfen am Produktauslass in die Ventilkammer zurückzuziehen. Sobald dann der Ventilkörper den Produktauslass hermetisch dicht verschließt, kann das Füllventil vom gefüllten Behälter oder der Behälter vom Füllventil wegbewegt werden, ohne dass das Risiko einer Verunreinigung der Mündung (Außenseite) des Ausgießers besteht.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Füllventils ist, dass dieses außer dem den Produktauslass in der Schließstellung verschließenden Ventilkörper kein weiteres Ventil benötigt, um in der Ventilkammer einen Saugdruck zu erzeugen. Somit kann der Ventilkörper aus Vollmaterial, das heißt ohne zusätzliche Bohrung und ohne zusätzlich integriertes Ventil, ausgebildet sein. Insbesondere weist daher das erfindungsgemäße Füllventil außer dem Ventilkörper, der den Produktauslass verschließt, kein weiteres Ventil auf. Entsprechendes gilt auch für die Fülleinrichtung. Zudem benötigt die Fülleinrichtung auch kein separates Einlassventil, durch das zunächst eine vorgegebene Menge in die Ventilkammer eingefüllt wird und das geschlossen wird, bevor der Produktauslass geöffnet wird. Im Gegenteil, erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass eine Pumpe das Produkt aus eine Produktreservoir in die Ventilkammer, insbesondere in den ersten Ventilkammerabschnitt, fördert, während der Produktauslass, zumindest über eine gewissen Zeitspanne, geöffnet ist. Mit anderen Worten fördert die Pumpe das Produkt unmittelbar durch den Produkteinlass und den Produktauslass in den Behälter.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass der Ausgießer beim Befüllen des Behälters nicht verunreinigt wird und die Öffnung des Ausgießers daher ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Reinigung und insbesondere UV- oder Gammabestrahlung verschlossen werden kann. Entsprechend wird die Zeit, die zum Befüllen und Verschließen eines Behälters notwendig ist, auf ein Minimum reduziert.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllventils weist die Vorspanneinrichtung im zweiten Ventilkammerabschnitt eine Feder, insbesondere Druckfeder, und/oder ein komprimierbares Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas, auf. Insbesondere wird die definierte Vorspannung zumindest teilweise, das heißt zumindest anteilig, vorzugsweise vollständig, durch die Feder erzeugt. Mit anderen Worten übt die Feder dann eine entsprechende Vorspannung auf Ventilkörper und/oder Membran aus. Es ist zusätzlich oder alternativ auch denkbar, dass die definierte Vorspannung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch das komprimierbare Fluid, also hydraulisch oder pneumatisch, erzeugt wird. Zusätzlich oder alternativ ist es aber auch denkbar, dass die definierte Vorspannung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, durch die Membran erzeugt wird.
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Gemäß noch einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllventils ist in dem Fall, dass eine Feder vorgesehen ist, ein erstes Federende der Feder an oder in einem Kolben gelagert, der in dem zweiten Ventilkammerabschnitt beweglich gelagert und mit der Membran und/oder mit dem Ventilkörper verbunden ist. Bei dem Kolben handelt es sich beispielsweise um einen Hohlkolben, in dem dann zumindest das erste Federende und vorzugsweise sogar der größte Teil der Feder gelagert ist. In letzterem Fall stützt sich die Feder im Kolben an einem radial nach innen weisenden Vorsprung oder einem Kolbenboden ab. Bei einem Hohlkolben ist ferner denkbar, dass die Feder, wenn sich der Ventilkörper in der Offenstellung befindet und die Feder entsprechend stark komprimiert ist, vollständig in dem Hohlkolben angeordnet ist. Befindet sich dagegen der Ventilkörper in der Schließstellung, ist die Feder weniger komprimiert und ragt dann insbesondere abschnittsweise aus dem Hohlkolben heraus.
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Der Kolben, insbesondere der Hohlkolben, liegt dabei vorzugsweise dichtend innenseitig am Ventilgehäuse, das heißt an der Innenoberfläche des Ventilgehäuses, an und ist hier bewegbar geführt, wobei für die Abdichtung insbesondere ein Dichtelement vorgesehen sein kann. Der Kolben, der mit der Membran und/oder dem Ventilkörper verbunden ist, folgt der Bewegung des Ventilkörpers, wenn sich dieser zwischen der Schließstellung und der Offenstellung bewegt, wodurch sich der Kolben relativ zum Ventilkörper und an dessen Innenoberfläche entlangbewegt. Durch eine Abdichtung zwischen Innenoberfläche des Gehäuses und Kolben und insbesondere durch das Dichtelement des Kolbens wird verhindert, dass Luft aus dem zweiten Ventilkammerabschnitt in die Umgebung des Ventilgehäuses entweichen kann, wenn die Membran aus ihrer Ausgangsstellung (wenn sich der Ventilkörper in seiner Schließstellung befindet) verformt wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Feder mit ihrem zweiten Federende an einem Federsteller anliegt, der durch die Gehäusewand des Ventilgehäuses geführt ist, was im Weiteren noch erläutert wird. In diesem Fall gewährleistet die Abdichtung zwischen Innenoberfläche des Gehäuses und Kolben und insbesondere das Dichtelement des Kolbens, dass kein Luftaustausch durch die Öffnung in der Ventilgehäusewand, durch die der Federsteller geführt ist, erfolgt.
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Gemäß noch einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllventils weist die Membran eine Öffnung, insbesondere eine mittige Öffnung, auf, durch die ein Abschnitt des Ventilkörpers geführt ist. In diesem Fall ragt dann ein Ventilkörperabschnitt in den zweiten Ventilkammerabschnitt. Dieser Ventilkörperabschnitt ist dann vorzugsweise mit dem Kolben verbunden. Ein weiterer Ventilkörperabschnitt ragt in den ersten Ventilkammerabschnitt und dient dort zum Verschließen bzw. Freigeben des Produktauslasses. Der Ventilkörper, der abschnittsweise durch die Öffnung in der Membran hindurchgeführt ist, ist dabei insbesondere hermetisch dicht mit der Membran verbunden, damit an dieser Stelle kein Produkt aus dem ersten Ventilkammerabschnitt in den zweiten Ventilkammerabschnitt und umgekehrt keine Luft vom zweiten Ventilkammerabschnitt in den ersten Ventilkammerabschnitt gelangen kann. Bevorzugt ist die Membran zwischen Ventilkörper und Kolben festgeklemmt, wodurch vorzugsweise die hermetische Abdichtung gewährleistet wird.
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Wie zuvor erwähnt, ist es denkbar, dass das zweite Federende an einem mit dem Ventilgehäuse verbundenen, insbesondere beweglich verbundenen, Federteller gelagert ist. Dieser ist insbesondere Teil eines Federstellers, über den dann die Vorspannkraft, die die Feder auf Membran und/oder Ventilkörper ausübt, eingestellt werden kann. Die Position des Federtellers ist im Ventilgehäuse dann insbesondere verstellbar, wobei der Federteller insbesondere der Kopf eines Gewindebolzens ist, der im Ventilgehäuse, nämlich insbesondere in der zuvor beschriebenen Öffnung in der Gehäusewand, gelagert ist. Durch Verdrehen des Gewindebolzens wird dann im Innern des Ventilgehäuses der Abstand des Federtellers zur oberen Gehäusewand und entsprechend die Federvorspannung verändert. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, das zweite Federende der Feder direkt am Ventilgehäuse zu lagern, wobei dann die Vorspannung der Feder aber nicht einstellbar ist.
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Gemäß wieder einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllventils ist die Membran zwischen einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil des Ventilgehäuses festgeklemmt, wobei die Verbindung der Membran mit dem Ventilgehäuse insbesondere auch hermetisch dicht ist.
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Gemäß noch einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllventils verjüngt sich die Ventilkammer, zumindest in einem an den Produktauslass angrenzenden Abschnitt, zum Produktauslass hin. Der Produktauslass definiert das äußere Ende der Ventilkammer und des Füllventils, an dem das Produkt, wenn der Ventilkörper nicht in der Schließstellung ist, aus dem Füllventil austritt. Insbesondere ist der Produktauslass die Stelle mit dem engsten Querschnitt der Ventilkammer. Dabei ist der Querschnitt (die Querschnittsfläche) der Ventilkammer an ihrer breitesten Stelle mindestens 100-fach, bevorzugt mindestens 150-fach, besonders bevorzugt mindestens 180-fach, größer als an der engsten Stelle, insbesondere am Produktauslass (bezogen auf einen Schnitt orthogonal zur Ventilkörpermittelachse bzw. Bewegungsrichtung des Ventilkörpers zwischen der Offenstellung und der Schließstellung).
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Gemäß noch einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllventils ist der Produktauslass am äußeren Ende eines vorspringenden, vorzugsweise tüllenförmigen (stutzenförmigen), Abschnitts des Ventilgehäuses ausgebildet. Dieses äußere Ende stellt das Ende der Ventilkammer und des Füllventils dar, an welchem das Produkt bei geöffnetem Produktauslass aus dem Füllventil austritt. Dieser vorspringende Abschnitt dient insbesondere dazu, in den zu befüllenden Behälter und insbesondere in den Ausgießer des Behälters, insbesondere einer Beutelverpackung, eingeführt zu werden, um den Befüllvorgang durchzuführen. Bevorzugt liegt in diesem Zustand, in welchem die Befüllung stattfindet, die äußere Kante des Ausgießers (die vom Behälter wegweisende Kante des Ausgießers) außen am Ventilgehäuse bzw. außen an dessen Unterseite an. Der Produktauslass ist dann bevorzugt im Ausgießer angeordnet. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, den vorspringenden Abschnitt so lang auszuführen, dass der Produktauslass bis in den Behälterkörper, insbesondere Beutel, geführt werden kann.
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Im Falle des Vorhandenseins eines solchen vorspringenden Abschnitts weist der Ventilkörper bevorzugt einen zumindest abschnittsweise stiftförmigen Abschnitt auf, der sich zumindest in der Schließstellung und vorzugsweise auch in der Offenstellung bis in den vorspringenden Abschnitt erstreckt, wobei der stiftförmige Abschnitt bzw. dessen äußeres (von der Membran entferntestes) Ende den Produktauslass in der Schließstellung verschließt. Ein solchermaßen geformter Ventilkörper wird auch als Füllnadel bezeichnet.
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Die Aufgabe wird ferner gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Fülleinrichtung zum aseptischen Befüllen eines Behälters, insbesondere einer Beutelverpackung,
- – mit einem fließfähigen Produkt mit einem wie zuvor definierten Füllventil,
- – mit einem Produktreservoir, das mit dem Füllventil über eine Produktzuführleitung, die zum Produkteinlass führt, fluidtechnisch verbunden ist, und
- – mit einer Pumpe, insbesondere einer rotierenden oder oszillierenden Pumpe, die zwischen Produktreservoir und Füllventil angeordnet ist.
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Wie zuvor bereits erläutert, ist es mit einer solchen Pumpe möglich, das Produkt aus einem Produktreservoir über besagte Produktzuführleitung durch den Produkteinlass in die Ventilkammer, insbesondere in den ersten Ventilkammerabschnitt, und von dort bei weiterhin geöffnetem Produkteinlass weiter durch den Produktauslass in den Behälter zu leiten (wenn sich der Ventilkörper nicht in der Schließstellung befindet).
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Dazu weist die Fülleinrichtung gemäß einer Ausgestaltung ferner eine mit der Pumpe verbundene Steuereinrichtung auf, die derart konfiguriert ist, dass die Pumpe zunächst eine definierte (vorgegebene) Pumpbewegung, insbesondere eine vorgegebene Anzahl an Umdrehungen, in eine erste Richtung zur Erzeugung eines Überdrucks in der Ventilkammer, insbesondere im ersten Ventilkammerabschnitt, durchführt und anschließend eine definierte Pumpbewegung, insbesondere eine vorgegebene Anzahl an Umdrehungen, in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Ventilkammer, insbesondere im ersten Ventilkammerabschnitt, durchführt. Die definierte Pumpbewegung in die erste Richtung dient dazu, das Produkt aus dem Produktreservoir in die Ventilkammer und von dort weiter in den Behälter zu fördern. Die gegenläufige Pumpbewegung dient nach Abschluss des Befüllens dazu, einen eventuell vorhandenen Resttropfen (Produktrest) am Produktauslass in die Ventilkammer zurück zu saugen, noch bevor der Ventilkörper wieder seine Schließstellung erreicht und den Produktauslass vollständig verschließt.
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Im Falle einer rotierenden Pumpe ist es beispielsweise denkbar, diese in die erste Richtung (erste Drehrichtung) mehrere Umdrehungen, beispielsweise 5,5 Umdrehungen, drehen zu lassen, wobei dieser Wert einer Behälterfüllung entspricht. Anschließend kann dann die Pumpe in entgegengesetzter Drehrichtung um einen Bruchteil des vorherigen Wertes, beispielsweise um 0,2 Umdrehungen, gegenläufig bewegt werden, um dadurch den eventuellen Resttropfen anzusaugen. Dann wird die Pumpe von der Steuereinrichtung angehalten, bis der befüllte Behälter abtransportiert und ein neuer Behälter unterhalb des Produktauslasses angeordnet ist. Entsprechendes ist auch für den Fall einer oszillierenden Pumpe, beispielsweise Kolbenpumpe, denkbar, wobei dann die jeweilige Pumpbewegung nicht durch Umdrehungen, sondern durch Kolbenhübe definiert ist.
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Dabei ist die definierte Pumpbewegung in die erste Richtung immer größer als in die entgegengesetzte Richtung, insbesondere mindestens um den Faktor 5 größer, bevorzugt mindestens um den Faktor 8 größer, besonders bevorzugt mindestens um den Faktor 10 größer.
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Die Aufgabe wird schließlich gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum aseptischen Befüllen eines Behälters, insbesondere einer Beutelverpackung, mit einem fließfähigen Produkt, insbesondere unter Verwendung eines wie zuvor definierten Füllventils oder einer wie zuvor definierten Fülleinrichtung, bei dem die folgenden Schritte, insbesondere in der im Folgenden angegebenen Reihenfolge, durchgeführt werden:
- – Bereitstellen eines Behälters, insbesondere einer Beutelverpackung, mit einem eine Öffnung aufweisenden Ausgießer,
- – Durchführen einer ersten Relativbewegung zwischen dem Behälter und einem Füllventil, bis ein Produktauslass des Füllventils im Innern des Behälters angeordnet ist, wobei sich während der Relativbewegung ein Ventilkörper in einer Ventilkammer des Füllventils unter Vorspannung in einer Schließstellung befindet, in der der Ventilkörper den Produktauslass verschließt,
- – Erzeugen eines Überdrucks in der Ventilkammer durch Einleiten eines fließfähigen Produkts in die Ventilkammer durch einen Produkteinlass, wobei sich durch den Überdruck eine mit dem Ventilkörper verbundene Membran, die einen ersten Ventilkammerabschnitt von einem zweiten Ventilkammerabschnitt der Ventilkammer hermetisch dicht trennt, verformt und dadurch den Ventilkörper entgegen der Vorspannung in eine Offenstellung bewegt, in der der Ventilkörper den Produktauslass freigibt,
- – Befüllen des Behälters durch den Produktauslass mit dem unter Druck stehenden Produkt, wobei insbesondere zumindest zeitweise Produkt gleichzeitig durch den Produkteinlass in die Ventilkammer einströmt und durch den Produktauslass aus der Ventilkammer ausströmt,
- – Erzeugen eines Unterdrucks in der Ventilkammer nach dem Befüllen des Behälters, während sich der Ventilkörper noch nicht in der Schließstellung befindet,
- – Durchführen einer zweiten Relativbewegung zwischen Behälter und Füllventil, nachdem sich der Ventilkörper in der Schließstellung befindet, und
- – Verschließen der Öffnung des Ausgießers.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Erzeugen des Überdrucks und des anschließenden Unterdrucks eine Pumpe betrieben wird, wobei die Pumpe zunächst eine definierte Pumpbewegung in eine erste Richtung zur Erzeugung des Überdrucks in der Ventilkammer, insbesondere im ersten Ventilkammerabschnitt, durchführt und anschließend eine definierte Pumpbewegung in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung zur Erzeugung des Unterdrucks in der Ventilkammer, insbesondere im ersten Ventilkammerabschnitt, durchführt, wobei die definierte Pumpbewegung in die erste Richtung größer als in die entgegengesetzte Richtung ist.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Füllventil, die erfindungsgemäße Fülleinrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum aseptischen Befüllen eines Behälters auszugestalten und weiterzubilden. Diesbezüglich sei einerseits verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachfolgenden Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine Seitenansicht eines Füllventils gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2a) eine schematische Ansicht einer Fülleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Füllventil gemäß 1 mit geschlossenem Produktauslass und
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2b) eine schematische Ansicht der Fülleinrichtung mit geöffnetem Produktauslass.
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Das in 1 in einer Seitenansicht und in den 2a) und 2b) in einer Schnittansicht dargestellte Füllventil 1 dient zum aseptischen Befüllen eines Behälters 2, bei dem es sich hier beispielhaft um eine Beutelverpackung 2 in Form eines Standbodenbeutels handelt. Der Beutel 2, von dem hier nur der obere Teil dargestellt ist, wird über das Füllventil 1 mit einem fließfähigen Produkt P, beispielsweise mit einem Lebensmittel, befüllt.
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Das Füllventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3, einen darin angeordneten Ventilkörper 7 und eine ebenfalls darin angeordnete Feder- bzw. Vorspanneinrichtung 8 auf. Das Ventilgehäuse 3 umschließt eine Ventilkammer 6 und weist einen Produkteinlass 4 und einen Produktauslass 5 auf. Der Ventilkörper 7 ist in der Ventilkammer zwischen einer Schließstellung (2a), in der der Ventilkörper 7 den Produktauslass 5 verschließt, und einer Offenstellung (2b), in der der Ventilkörper 7 den Produktauslass 5 freigibt, translatorisch, das heißt axial, bewegbar.
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Über die Vorspanneinrichtung 8 ist der Ventilkörper 7 mit einer Vorspannung beaufschlagt, die den Ventilkörper 8 in die Schließstellung zwingt. Die Vorspanneinrichtung 8, weist eine mit dem Ventilkörper 7 verbundene flexible Membran auf, die die Ventilkammer 6 hermetisch dicht in einen ersten Ventilkammerabschnitt 6a und einen zweiten Ventilkammerabschnitt 6b unterteilt. Produkteinlass 4 und Produktauslass 5 münden dabei in den ersten Ventilkammerabschnitt 6a und sind dadurch fluidtechnisch miteinander verbunden.
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Neben der Membran 9 weist die Vorspanneinrichtung 8 im zweiten Ventilkammerabschnitt 6b ferner eine Druckfeder 10 sowie ein komprimierbares Fluid in Form von Luft auf, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die definierte Vorspannkraft zu einem Großteil von der Druckfeder 10 und zu einem geringeren Teil von der Membran 9 und der im zweiten Ventilkammerabschnitt 6b eingeschlossenen Luft erzeugt wird.
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Wie in den 2a) und 2b) dargestellt ist, weist die Druckfeder 10 ein erstes (unteres) Federende 10a und ein zweites (oberes) Federende 10b auf, über die die Feder 10 im Ventilgehäuse 3 gelagert ist. Das erste Federende 10a ist in einem als Hohlkolben 11 ausgebildeten Kolben gelagert, der mit dem Ventilkörper 7 verbunden ist und zu diesem axial unbeweglich angeordnet ist. Eine Bewegung des Ventilkörpers 7 wird dann unmittelbar auch auf den Hohlkolben 11 übertragen. Der Hohlkolben 11 ist in dem zweiten Ventilkammerabschnitt 6b beweglich gelagert und an den Innenwänden des Ventilgehäuses 3 geführt. Ein Dichtelement 12 sorgt dabei für eine dichte Anlage des Hohlkolbens 11 innenseitig am Ventilgehäuse 3.
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Die Membran 9 weist eine zentrale Öffnung 13 auf, durch die ein Abschnitt 7a des Ventilkörpers 7 nach oben in den zweiten Ventilkammerabschnitt 6b geführt ist. Die Membran 9 ist dabei zwischen Ventilkörper 7 und Hohlkolben 11, ebenfalls hermetisch dicht, festgeklemmt. An ihrem äußeren Umfang ist die Membran 9 zwischen einem ersten Gehäuseteil 3a und einem zweiten Gehäuseteil 3b des Ventilgehäuses 3, ebenfalls hermetisch dicht, festgeklemmt.
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Das zweite Federende 10b liegt an einem Federteller 14 an, der von dem Kopf 15 eines Gewindebolzens 16 gebildet wird, der wiederum in einer Gewindeöffnung 25 im ersten Gehäuseteil 3a angeordnet ist. Der Gewindebolzen 16 dient dann als Federsteller, wobei durch eine auf den Gewindebolzen 16 ausgeübte Schraubbewegung der Abstand des Federtellers 14 relativ zur Oberseite des ersten Gehäuseteil 3a bzw. relativ zum Produktauslass 5 verstellt werden kann. Auf diese Weise kann die Vorspannkraft, die die Druckfeder 10 auf den Ventilkörper 7 ausübt, individuell eingestellt werden. Ist die gewünschte Stellung des Gewindebolzens 16 erreicht, kann dieser über eine außen am Ventilgehäuse 3 angeordnete und auf den Gewindebolzen 16 geschraubte Kontermutter 26 fixiert werden.
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Im unteren Bereich der Ventilkammer 6 bzw. im unteren Bereich des ersten Ventilkammerabschnitts 6a ist ein an den Produktauslass 5 angrenzender Abschnitt 6a.1 vorgesehen, der einen im Vergleich zum übrigen ersten Ventilkammerabschnitt 6a erheblich verringerten Querschnitt aufweist. Der gesamte erste Ventilkammerabschnitt 6a verjüngt sich, auch in dem Abschnitt 6a.1, zum Produktauslass 5 hin, wobei der Produktauslass 5 das äußere Ende der Ventilkammer 6 und des Ventilgehäuses 3 definiert. Dabei bildet der Produktauslass 5 die Stelle mit dem kleinsten Querschnitt (der kleinsten Querschnittsfläche) der Ventilkammer 6.
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Der Produktauslass 5 ist am äußeren Ende 17a (von der Ventilkammer 6 am weitesten entferntes Ende) eines vorspringenden, stutzenförmigen Abschnitts 17 des Ventilgehäuses 3 ausgebildet. In dem Abschnitt 6a.1 erstreckt sich von der Membran 9 ausgehend ein Abschnitt 7b, der im Bereich angrenzend an die Membran 9 einen relativ großen Querschnitt hat und im weiteren Verlauf stiftförmig ist. Ein entsprechend geformter Ventilkörper 7 bildet eine Füllnadel 27. Das untere Ende der Füllnadel 27 verschließt dabei den Produktauslass 5 in der Schließstellung, wie 2a) zeigt, bzw. gibt den Produktauslass 5 in der Offenstellung frei, wie 2b) zeigt.
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In den 2a) und 2b) ist ferner symbolisch dargestellt, dass das Füllventil 1 über eine Produktzuführleitung 20 mit einem Produktreservoir 19 fluidtechnisch verbunden ist. Die Produktzuführleitung 20 führt von dem Produktreservoir 19 über eine Pumpe 21 zum Produkteinlass 4 des Füllventils 1.
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Das Produktreservoir 19, die Produktzuführleitung 20, die Pumpe 21 und das Füllventil 1 sind Teil einer Fülleinrichtung 18 zum aseptischen Befüllen eines beutelförmigen Behälters 2.
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Die Fülleinrichtung 18 weist ferner eine Steuereinrichtung 22 auf, die hier auch symbolisch dargestellt ist. Die Steuereinrichtung 22 ist mit der Pumpe 21 verbunden und derart konfiguriert, dass die Pumpe 21 einen Überdruck in der Ventilkammer 6 bzw. dem ersten Ventilkammerabschnitt 6a erzeugen kann, um das Produkt P vom Produktreservoir 19 durch das Füllventil 1 in den Behälter 2 zu pumpen. Sobald die für eine Behälterfüllung vorgegebene Produktmenge gefördert worden ist, bewirkt die Steuereinrichtung 22 unmittelbar im Anschluss eine umgekehrte Pumpbewegung, die einen Unterdruck im Abschnitt zwischen der Pumpe 21 und dem Produktauslass 5 erzeugt, um einen im Bereich des Produktauslasses 5 eventuell anhaftenden Resttropfen in die Ventilkammer 6 zurück zu saugen, bevor der Ventilkörper 7 den Produktauslass 5 wieder vollständig verschließt.
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Dann kann der bestimmungsgemäß befüllte beutelförmige Behälter 2 gegen einen leeren Behälter 2 ausgetauscht werden, der dann im Anschluss auf die gleiche Weise befüllt wird. Während des Austausches der beiden Behälter 2 wird die Pumpe 21 angehalten.
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Ein Befüllvorgang kann, nachdem ein beispielsweise beutelförmiger Behälter 2 mit einem eine Öffnung 23 aufweisenden Ausgießer 24 bereitgestellt worden ist, wie folgt durchgeführt werden:
- – zunächst erfolgt eine erste Relativbewegung zwischen dem Behälter 2 und einem Füllventil 1 einer Fülleinrichtung 18 (dabei wird das Füllventil 1 zum Behälter 2 und/oder der Behälter 2 zum Füllventil 1 bewegt), bis ein Produktauslass 5 des Füllventils 1 koaxial zur Öffnung 23 und im Innern des Behälters 2, insbesondere im Innern des Ausgießers 24 angeordnet ist, wobei sich während der Relativbewegung ein Ventilkörper 7 in einer Ventilkammer 6 des Füllventils 1 unter Vorspannung in einer Schließstellung befindet, in der der Ventilkörper 7 den Produktauslass 5 hermetisch dicht verschließt,
- – dann wird über eine produktgefüllte Produktzuführleitung 20 ein Überdruck in der ebenfalls produktgefüllten Ventilkammer 6 erzeugt und dadurch Produkt, beispielsweise ein Lebensmittel, durch einen Produkteinlass 4 in die Ventilkammer 6 geleitet, wobei sich durch den sich aufbauenden Überdruck eine mit dem Ventilkörper 7 verbundene Membran 9, die die Ventilkammer 6 in einen ersten Ventilkammerabschnitt 6a und einen zweiten Ventilkammerabschnitt 6b unterteilt, verformt und dadurch den Ventilkörper 7 entgegen der Vorspannung in eine Offenstellung bewegt, in der der Ventilkörper 7 den Produktauslass 5 freigibt,
- – sobald der Produktauslass 5 freigegeben ist, wird der Behälter 2 durch den Produktauslass 5 mit einer vorgegebenen Menge des unter Druck stehenden Produkts P befüllt,
- – sobald die vorgegebene Menge des Produkts P gefördert worden ist bzw. in den Behälter 2 gelangt ist, wird, während sich der Ventilkörper 7 noch nicht in der Schließstellung befindet, ein Unterdruck bzw. Saugstrom (Strömung vom Produktauslass 5 zum Produkteinlass 4) in der Ventilkammer 6 erzeugt, wodurch ein Produktrest (Resttropfen) am Produktauslass 5 abgesaugt wird bzw. werden kann),
- – nachdem sich der Ventilkörper 7 wieder in der Schließstellung befindet, erfolgt eine zweite Relativbewegung zwischen Behälter 2 und Füllventil 1 (dabei wird das Füllventil 1 vom Behälter 2 und/oder der Behälter 2 vom Füllventil 1 wegbewegt), und
- – schließlich wird der Behälter 2 versiegelt, indem die Öffnung 23 des Ausgießers 24 verschlossen wird.
